(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024133974
(43)【公開日】2024-10-03
(54)【発明の名称】炭化珪素半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 29/78 20060101AFI20240926BHJP
H01L 29/739 20060101ALI20240926BHJP
H01L 29/12 20060101ALI20240926BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20240926BHJP
H01L 21/265 20060101ALI20240926BHJP
【FI】
H01L29/78 652B
H01L29/78 655A
H01L29/78 652T
H01L29/78 653C
H01L29/78 652D
H01L29/78 652M
H01L29/78 652F
H01L29/78 652J
H01L29/78 652H
H01L29/78 658E
H01L29/78 658A
H01L21/265 Q
H01L21/265 F
H01L29/78 658F
H01L29/78 652C
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023044020
(22)【出願日】2023-03-20
(71)【出願人】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105854
【弁理士】
【氏名又は名称】廣瀬 一
(74)【代理人】
【識別番号】100103850
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼
(72)【発明者】
【氏名】大瀬 直之
(57)【要約】
【課題】主領域が主電極にシリサイド層を介さずにオーミック接触できると共に、リーク不良を抑制できる炭化珪素半導体装置を提供する。
【解決手段】炭化珪素半導体装置は、第1導電型のドリフト層2と、ドリフト層2の上面側に設けられた第2導電型のベース領域6a,6bと、ベース領域6a,6bの上面側に設けられ、3C構造を含む炭化珪素からなる第1導電型のソースコンタクト領域71a,71bと、トレンチ10の内側にゲート絶縁膜11を介して設けられたゲート電極12と、ドリフト層2の上面側に設けられた4H構造の炭化珪素からなる第2導電型のベースコンタクト領域5a,5bと、ソースコンタクト領域71a,71bとベースコンタクト領域5a,5bとの間に設けられた4H構造の炭化珪素からなる半導体領域と、ソースコンタクト領域71a,71bに接して設けられた主電極(14,15,16)を備える。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
炭化珪素からなる第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上面側に設けられ、炭化珪素からなる第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の上面側に設けられ、3C構造を含む炭化珪素からなる第1導電型のソースコンタクト領域と、
前記ソースコンタクト領域及び前記ベース領域を貫通するトレンチの内側に設けられたゲート絶縁膜と、
前記トレンチの内側に前記ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記ドリフト層の上面側に設けられ、4H構造の炭化珪素からなり、前記ベース領域よりも高不純物濃度の第2導電型のベースコンタクト領域と、
前記ソースコンタクト領域と前記ベースコンタクト領域との間に設けられた4H構造の炭化珪素からなる半導体領域と、
前記ソースコンタクト領域に接して設けられた主電極と、
を備える炭化珪素半導体装置。
【請求項2】
前記ソースコンタクト領域が、前記トレンチに接する
請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項3】
前記ソースコンタクト領域が、前記トレンチから離間する
請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項4】
前記ソースコンタクト領域の下面に接して設けられ、4H構造の炭化珪素からなる第1導電型のソース拡張領域を更に備える
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項5】
前記半導体領域は、前記ソース拡張領域の一部である
請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項6】
前記半導体領域は、前記ベース領域の一部である
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項7】
前記ソースコンタクト領域の下面に接して設けられ、4H構造の炭化珪素からなる第1導電型のソース拡張領域を更に備え、
前記ベース領域の一部が、前記ソース拡張領域と前記ベースコンタクト領域との間に設けられている
請求項6に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項8】
前記ゲート電極の上面が、前記ソースコンタクト領域の下面より深い位置にある
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項9】
前記ゲート電極の上面が、前記ソースコンタクト領域の下面と一致するか、又は前記ソースコンタクト領域の下面より浅い位置にある
請求項3に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項10】
前記ソース拡張領域の不純物濃度が、前記ソースコンタクト領域の不純物濃度よりも低い
請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項11】
前記ソース拡張領域の不純物濃度が、前記ソースコンタクト領域の不純物濃度と同一である
請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項12】
前記ベースコンタクト領域の下面が、前記ベース領域の下面と一致するか、又は前記ソースコンタクト領域の下面より浅い位置にある
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項13】
前記ソースコンタクト領域に含まれる3C構造の割合は10%以上、100%以下である
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項14】
前記ソースコンタクト領域は、不純物として燐又は砒素を含む
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項15】
前記ソースコンタクト領域の不純物濃度は、1×1020/cm3以上、1×1022/cm3以下である
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項16】
前記ソース拡張領域の不純物濃度は、1×1016/cm3以上、1×1020/cm3以下である
請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項17】
前記ソース拡張領域は、不純物として窒素又は燐を含む
請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項18】
前記ベースコンタクト領域の不純物濃度は、1×1019/cm3以上、1×1021/cm3以下である
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項19】
前記ベースコンタクト領域は、不純物としてアルミニウムを含む
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項20】
前記主電極は、前記ベースコンタクト領域に接するシリサイド層を含む
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、炭化珪素半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、六方晶単結晶の炭化珪素基板にリンをイオン注入することでアモルファス層を形成し、熱処理することでアモルファス層を立方晶単結晶のn型炭化珪素に再結晶化させ、n型炭化珪素の上面にニッケルを蒸着することで電極を形成する半導体装置が開示されている。
【0003】
特許文献2には、4H-SiCからなるn+型SiCの第1主面上に形成させたn-型エピタキシャル成長層内において、n+型ソース領域と、n+型ソース領域内に形成されたn+型3C-SiC領域及びp+型電位固定領域とを有し、n+型3C-SiC領域及びp+型電位固定領域と接してバリアメタル膜が形成され、バリアメタル膜上にソース配線用電極が形成される半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2009-49198号公報
【特許文献2】国際公開第2017/042963号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
トレンチゲート型の炭化珪素半導体装置において、ソース電極(主電極)とオーミック接触するためにソース領域(主領域)を3C-SiCで構成することが検討されている。この場合、n型不純物のイオン注入によりn+型のソース領域を全面に形成した後に、マスクを用いたp型不純物のイオン注入によりソース領域の一部の導電型を反転させて(打ち返して)p+型のベースコンタクト領域を形成することが製造上合理的である。しかし、ソース領域の打ち返した部分において多くのダメージが発生し、リーク不良が発生する場合がある。
【0006】
本開示は、上記課題を鑑み、トレンチゲート型の炭化珪素半導体装置において、主領域が主電極にシリサイド層を介さずにオーミック接触することができると共に、リーク不良を抑制することができる炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するために、本開示の一態様は、炭化珪素からなる第1導電型のドリフト層と、ドリフト層の上面側に設けられ、炭化珪素からなる第2導電型のベース領域と、ベース領域の上面側に設けられ、炭化珪素からなり、3C構造を含む第1導電型のソースコンタクト領域と、ソースコンタクト領域及びベース領域を貫通するトレンチの内側に設けられたゲート絶縁膜と、トレンチの内側にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、ドリフト層の上面側に設けられ、4H構造の炭化珪素からなり、ベース領域よりも高不純物濃度の第2導電型のベースコンタクト領域と、ソースコンタクト領域とベースコンタクト領域との間に設けられた4H構造の炭化珪素からなる半導体領域と、ソースコンタクト領域に接して設けられた主電極と、を備える炭化珪素半導体装置であることを要旨とする。
【発明の効果】
【0008】
本開示によれば、トレンチゲート型の炭化珪素半導体装置において、主領域が主電極にシリサイド層を介さずにオーミック接触することができると共に、リーク不良を抑制することができる炭化珪素半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【
図1】第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の一例を示す概略断面図である。
【
図2】第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の一例を示す概略斜視図である。
【
図4】第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を説明するための概略断面図である。
【
図5】第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を説明するための
図4に引き続く概略断面図である。
【
図6】第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を説明するための
図5に引き続く概略断面図である。
【
図7】第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を説明するための
図6に引き続く概略断面図である。
【
図8】第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を説明するための
図7に引き続く概略断面図である。
【
図9】第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を説明するための
図8に引き続く概略断面図である。
【
図10】第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を説明するための
図9に引き続く概略断面図である。
【
図11】第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を説明するための
図10に引き続く概略断面図である。
【
図12】第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を説明するための
図11に引き続く概略断面図である。
【
図13】比較例に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための概略断面図である。
【
図14】比較例に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を説明するための
図13に引き続く概略断面図である。
【
図15】第2実施形態に係る炭化珪素半導体装置の一例を示す概略断面図である。
【
図17】第2実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を説明するための概略断面図である。
【
図18】第3実施形態に係る炭化珪素半導体装置の一例を示す概略断面図である。
【
図20】第4実施形態に係る炭化珪素半導体装置の一例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照して、本開示の第1~第4実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下に示す第1~第4実施形態は、本開示の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本開示の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。
【0011】
本明細書において、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)のソース領域は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)のエミッタ領域として選択可能な「一方の主領域(第1主領域)」である。また、MOS制御静電誘導サイリスタ(SIサイリスタ)等のサイリスタにおいては、「一方の主領域」はカソード領域として選択可能である。MOSFETのドレイン領域は、IGBTにおいてはコレクタ領域を、サイリスタにおいてはアノード領域として選択可能な半導体装置の「他方の主領域(第2主領域)」である。本明細書において単に「主領域」と言うときは、当業者の技術常識から妥当な第1主領域又は第2主領域のいずれかを意味する。
【0012】
また、以下の説明における上下等の方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本開示の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を90°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、180°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。また、「上面」は「おもて面」と読み替えてもよく、「下面」は「裏面」と読み替えてもよい。
【0013】
また、以下の説明では、第1導電型がn型、第2導電型がp型の場合について例示的に説明する。しかし、導電型を逆の関係に選択して、第1導電型をp型、第2導電型をn型としても構わない。またnやpに付す+や-は、+及び-が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。ただし同じnとnとが付された半導体領域であっても、それぞれの半導体領域の不純物濃度が厳密に同じであることを意味するものではない。
【0014】
また、炭化珪素(SiC)結晶には結晶多形が存在し、主なものは立方晶の3C、及び六方晶の4H、6Hである。室温における禁制帯幅は、3C構造のSiC(3C-SiC)では2.23eV、4H構造のSiC(4H-SiC)では3.26eV、6H構造のSiC(6H-SiC)では3.02eVの値が報告されている。以下の説明では、4H-SiC及び3C-SiCを主に用いる場合を例示する。
【0015】
(第1実施形態)
<炭化珪素半導体装置の構造>
第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置は、
図1に示すように、活性素子としてトレンチゲート型の縦型MOSFETを含む場合を例示する。なお、
図1では、1つのトレンチ10に埋め込まれた絶縁ゲート型電極構造(11,12)を含む単位セルを例示するが、実際には、この単位セルが周期的に多数配列されている。
【0016】
第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置は、第1導電型(n-型)のドリフト層2を備える。ドリフト層2は、例えば、4H-SiC等のSiCからなるエピタキシャル成長層で構成されている。ドリフト層2の不純物濃度は、例えば1×1015cm-3以上、5×1016cm-3以下程度である。ドリフト層2の厚さは、例えば1μm以上、100μm以下程度である。ドリフト層2の不純物濃度及び厚さは、耐圧仕様等に応じて適宜調整可能である。
【0017】
ドリフト層2の上面側には第2導電型(p型)のベース領域6a,6bが設けられている。ベース領域6a,6bの下面は、ドリフト層2の上面に接している。ベース領域6a,6bは、例えば、ドリフト層2にp型不純物をイオン注入して形成された4H-SiC等のSiCからなる領域である。ベース領域6a,6bは、ドリフト層2の上面にエピタキシャル成長させた4H-SiC等のSiCからなる領域であってよい。ベース領域6a,6bの不純物濃度は、例えば1×1016cm-3以上、1×1018cm-3以下程度である。
【0018】
ドリフト層2とベース領域6a,6bとの間には、ドリフト層2よりも高不純物濃度の第1導電型(n型)の電流拡散層(CSL)が設けられていてもよい。電流拡散層を設ける場合には、ドリフト層2の上面が電流拡散層の下面に接し、電流拡散層の上面がベース領域6a,6bの下面に接する。
【0019】
ベース領域6a,6bの上面側には、ドリフト層2よりも高不純物濃度の第1導電型(n+型)の第1主領域(ソース領域)7a,7bが選択的に設けられている。ソース領域7a,7bは、例えば、ドリフト層2にn型不純物をイオン注入して形成されたSiCからなる領域である。
【0020】
ソース領域7aは、ベース領域6aの上面に下面が接して設けられたn+型のソース拡張領域(第1領域)71aと、ソース拡張領域71aの上部(上面側)の一部に設けられたn+型のソースコンタクト領域(第2領域)72aを含む。ソース領域7bは、ベース領域6bの上面に下面が接して設けられたn+型のソース拡張領域(第1領域)71bと、ソース拡張領域71bの上部(上面側)の一部に設けられたn+型のソースコンタクト領域(第2領域)72bを含む。ソース領域7a,7bの詳細については後述する。
【0021】
ソース領域7a,7bの上面からソース領域7a,7bの上面の法線方向(深さ方向)に向かって、ソース領域7a,7b及びベース領域6a,6bを貫通するトレンチ10が設けられている。トレンチ10の下面はドリフト層2に達する。電流拡散層が設けられる場合、トレンチ10の下面は電流拡散層に達する。トレンチ10の幅は例えば1μm以下程度である。トレンチ10の左側の側面には、ソース領域7a及びベース領域6aが接している。トレンチ10の右側の側面には、ソース領域7b及びベース領域6bが接している。
図1の断面では、トレンチ10の下面と側面が角部をなす場合を例示するが、トレンチ10の下面は曲面であってもよい。
【0022】
トレンチ10の下面及び両側の側面に沿ってゲート絶縁膜11が設けられている。トレンチ10の内側にはゲート絶縁膜11を介してゲート電極12が埋め込まれている。ゲート絶縁膜11及びゲート電極12により、トレンチゲート型の絶縁ゲート型電極構造(11,12)が構成されている。
【0023】
ゲート絶縁膜11としては、シリコン酸化膜(SiO2膜)、酸窒化珪素(SiON)膜、ストロンチウム酸化物(SrO)膜、窒化珪素(Si3N4)膜、アルミニウム酸化物(Al2O3)膜、マグネシウム酸化物(MgO)膜、イットリウム酸化物(Y2O3)膜、ハフニウム酸化物(HfO2)膜、ジルコニウム酸化物(ZrO2)膜、タンタル酸化物(Ta2O5)膜、ビスマス酸化物(Bi2O3)膜のいずれか1つの単層膜或いはこれらの複数を積層した複合膜等が採用可能である。ゲート電極12の材料としては、例えばp型不純物又はn型不純物を高不純物濃度に添加したポリシリコン層(ドープドポリシリコン層)や、チタン(Ti)、タングステン(W)又はニッケル(Ni)等の高融点金属が使用可能である。
【0024】
ドリフト層2の内部で、且つトレンチ10の底部(下方)には、第2導電型(p+型)のゲート保護領域4bが設けられている。ゲート保護領域4bの上面はトレンチ10の下面に接している。ゲート保護領域4bの上面はトレンチ10の下面に接しなくともよい。ゲート保護領域4bは、例えば、ドリフト層2にp型不純物をイオン注入して形成された4H-SiC等のSiCからなる領域である。ゲート保護領域4bの不純物濃度は、例えば1×1017cm-3以上、1×1019cm-3以下程度である。
【0025】
ドリフト層2の内部には、ゲート保護領域4bから離間して、第2導電型(p
+型)の埋込領域4a,4cが設けられている。埋込領域4a,4cは、ゲート保護領域4bと略同じ深さに設けられている。埋込領域4a,4cは、例えば、ドリフト層2にp型不純物をイオン注入して形成された4H-SiC等のSiCからなる領域である。埋込領域4a,4cの不純物濃度は、例えば1×10
17cm
-3以上、1×10
19cm
-3以下程度である。なお、
図1の紙面の手前側又は奥行側において、埋込領域4a,4cとゲート保護領域4bとを接続するp
+型の半導体領域が選択的に設けられていてよい。
【0026】
ドリフト層2の上部で、且つ埋込領域4a,4cの上面側には、ベース領域6a,6bよりも高不純物濃度の第2導電型(p+型)のベースコンタクト領域5a,5bが設けられている。ベースコンタクト領域5a,5bは、例えば、ドリフト層2にp型不純物をイオン注入した4H-SiC等のSiCからなる領域である。ベースコンタクト領域5a,5bの不純物濃度は、例えば1×1018cm-3以上、1×1021cm-3以下程度である。ベースコンタクト領域5a,5bの下面は、ベース領域6a,6bの下面と同程度の深さであるが、ベース領域6a,6bの下面よりも浅くてもよく、或いは深くてもよい。
【0027】
ベースコンタクト領域5aの下面は、埋込領域4aの上面に接している。ベースコンタクト領域5aの下面がベース領域6aの下面よりも浅い場合、ベースコンタクト領域5aの下面と埋込領域4aとの間には、ベース領域6が設けられる。ベースコンタクト領域5aの側面は、ベース領域6a及びソース領域7aのソース拡張領域71aに接している。ベースコンタクト領域5aの側面と、ソース領域7aのソースコンタクト領域72aの側面との間には、4H-SiCの半導体領域であるソース拡張領域71aの一部が介在する。ソース拡張領域71aは、L字状の断面形状を有する。
【0028】
ベースコンタクト領域5bの下面は、埋込領域4cの上面に接している。ベースコンタクト領域5bの下面がベース領域6bの下面よりも浅い場合、ベースコンタクト領域5bの下面と埋込領域4cとの間には、ベース領域6が設けられる。ベースコンタクト領域5bの側面は、ベース領域6b及びソース領域7bのソース拡張領域71bに接している。ベースコンタクト領域5bの側面と、ソース領域7bのソースコンタクト領域72bの側面との間には、4H-SiCの半導体領域であるソース拡張領域71bの一部が介在する。ソース拡張領域71bは、L字状の断面形状を有する。
【0029】
ゲート電極12の上面側には層間絶縁膜13が設けられている。層間絶縁膜13は、例えば硼素(B)及び燐(P)を添加したシリコン酸化膜(BPSG膜)、燐(P)を添加したシリコン酸化膜(PSG膜)、「NSG」と称される燐(P)や硼素(B)を含まないノンドープのシリコン酸化膜、硼素(B)を添加したシリコン酸化膜(BSG膜)、シリコン窒化膜(Si3N4膜)等の単層膜や、これらの積層膜で構成されている。層間絶縁膜13には、ソース拡張領域71a,71b、ソースコンタクト領域72a,72b及びベースコンタクト領域5a,5bのそれぞれの上面の少なくとも一部を露出するようにコンタクトホール13a,13bが設けられている。
【0030】
層間絶縁膜13と、層間絶縁膜13のコンタクトホール13a,13bに露出したソース拡張領域71a,71b、ソースコンタクト領域72a,72b及びベースコンタクト領域5a,5bとを覆うように第1主電極(ソース電極)(14,15,16)が設けられている。ソース電極(14,15,16)は、バリアメタル層14、ソース配線層15及びシリサイド層16を備える。
【0031】
シリサイド層16は、ベースコンタクト領域5a,5bの上面に選択的に設けられ、ベースコンタクト領域5a,5bと低抵抗でオーミック接触している。シリサイド層16は、ニッケルシリサイド(NiSix)等のシリサイドで構成されている。なお、ソース電極(14,15,16)は、シリサイド層16を備えずに、バリアメタル層14及びソース配線層15のみで構成されていてもよい。
【0032】
バリアメタル層14は、層間絶縁膜13と、層間絶縁膜13のコンタクトホール13a,13bに露出したソース拡張領域71a,71b、ソースコンタクト領域72a,72b及びシリサイド層16とを覆うように設けられている。バリアメタル層14は、ソース拡張領域71a,71b及びソースコンタクト領域72a,72bに直接的に接している。バリアメタル層14は、3C構造を含むソースコンタクト領域72a,72bと低抵抗でオーミック接触し、4H構造のソース拡張領域71a,71bとはオーミック接触していない。バリアメタル層14は、例えば窒化チタン(TiN)、チタン(Ti)、又はTiを下層としたTiN/Tiの積層構造等の金属で構成されている。
【0033】
ソース配線層15は、バリアメタル層14を覆うように設けられている。ソース配線層15は、ソースコンタクト領域72a,72b及びベースコンタクト領域5a,5bに電気的に接続されている。ソース配線層15は、例えばアルミニウム(Al)、アルミニウム-シリコン(Al-Si)、アルミニウム-銅(Al-Cu)、銅(Cu)等の金属又は合金で構成されている。ソース配線層15は、ゲート電極12に電気的に接続されるゲート配線電極(図示省略)と分離して設けられている。
【0034】
ドリフト層2の下面側には、ドリフト層2よりも高不純物濃度の第1導電型(n+型)の第2主領域(ドレイン領域)1が設けられている。ドレイン領域1は、例えば4H-SiC等のSiCからなる半導体基板(SiC基板)で構成されている。ドレイン領域1の不純物濃度は、例えば1×1019cm-3以上、3×1020cm-3以下程度である。ドレイン領域1の厚さは、例えば30μm以上、500μm以下程度である。なお、ドリフト層2とドレイン領域1との間には、ドリフト層2よりも高不純物濃度で、且つドレイン領域1よりも低不純物濃度のn型のバッファ層である、転位変換層や再結合促進層が設けられていてもよい。
【0035】
ドレイン領域1の下面側には、第2主電極(ドレイン電極)17が設けられている。ドレイン電極17としては、例えば金(Au)からなる単層膜や、ドレイン領域1側からチタン(Ti)、ニッケル(Ni)、Auの順で積層された金属膜が使用可能であり、更にその最下層にモリブデン(Mo)、タングステン(W)等の金属膜を積層してもよい。また、ドレイン領域1とドレイン電極17との間にオーミック接触のためのニッケルシリサイド(NiSix)膜等のドレインコンタクト層が設けられてもよい。
【0036】
図2は、
図1に示した第1実施形態に係る半導体装置の一部を抜き出した概略斜視図である。
図2に示すように、トレンチ10は、ストライプ状に延伸する平面パターンを有する。なお、トレンチ10は、ストライプ状に延伸する平面パターンに特に限定されず、例えばドット状の平面パターンを有していてもよい。ソース拡張領域71a,71b、ソースコンタクト領域72a,72b及びベースコンタクト領域5a,5bは、トレンチ10に平行にストライプ状に延伸する平面パターンを有する。
【0037】
図3は、
図1に示した第1実施形態に係る半導体装置の破線の領域Aを拡大した概略断面図である。
図3を参照して、ソース拡張領域71a及びソースコンタクト領域72aの構成と、ソース拡張領域71a、ソースコンタクト領域72a、ベースコンタクト領域5a及び絶縁ゲート型電極構造(11,12)の位置関係について説明する。
【0038】
ソース拡張領域71aの上面から下面までの深さ(ソース拡張領域71aの厚さ)d1は、例えば150nm以上、450nm以下程度である。ソース拡張領域71aの幅(w1+w2)は、例えば400nm以上、1000nm以下程度である。ソース拡張領域71aの右側の側面は、ゲート絶縁膜11に直接的に接し、ゲート絶縁膜11を介してゲート電極12に対向する。
【0039】
ソース拡張領域71aは、ソースコンタクト領域72aよりも結晶欠陥が少なく、且つ、ソースコンタクト領域72aの結晶欠陥を引き継がない領域である。ソース拡張領域71aは、4H-SiC(4H構造)で主に構成されている。ソース拡張領域71aに含まれる4H-SiCの割合は、例えば90%以上、100%以下程度である。ソース拡張領域71aには、4H-SiC以外に、アモルファス構造、3C-SiC等が僅かに含まれていてもよい。ソース拡張領域71aの不純物濃度は、例えば1×1016cm-3以上、1×1020cm-3以下程度である。ソース拡張領域71aは、n型不純物として例えば窒素(N)又は燐(P)を含む。ソース拡張領域71aは、n型不純物として砒素(As)を含んでいてもよい。
【0040】
ソースコンタクト領域72aの上面から下面までの深さ(ソースコンタクト領域72aの厚さ)d2は、例えば30nm以上、100nm以下程度である。ソースコンタクト領域72aの幅w1は、ソース拡張領域71aの幅(w1+w2)よりも狭く、例えば400nm以上、1000nm以下程度である。
【0041】
ソースコンタクト領域72aの右側の側面は、ゲート絶縁膜11に直接的に接し、ゲート絶縁膜11を介して層間絶縁膜13に対向する。ソースコンタクト領域72aの左側の側面は、ベースコンタクト領域5aの右側の側面から離間している。ソースコンタクト領域72aの左側の側面と、ベースコンタクト領域5aの右側の側面の間にはソース拡張領域71aの一部が介在している。ソースコンタクト領域72aの左側の側面と、ベースコンタクト領域5aの右側の側面の間に挟まれたソース拡張領域71aの幅w2は、例えば10nm以上、500nm以下程度である。
【0042】
ソースコンタクト領域72aは、3C-SiC(3C構造)を含む領域である。ソースコンタクト領域72aに含まれる3C-SiCの割合は、ソース拡張領域71aに含まれる3C-SiCの割合よりも高く、例えば10%以上、100%以下程度である。ソースコンタクト領域72aは、3C-SiCと4H-SiCとの混晶であってよい。ソースコンタクト領域72aには、3C-SiC以外に、アモルファス構造、4H-SiC等が含まれていてもよい。3C-SiCは4H-SiCに比べて禁制帯幅が狭いため、ソースコンタクト領域72aが3C-SiCを含むことにより、シリサイド層16を介さずに、ソース電極(14,15,16)に低抵抗でオーミック接触することができる。良好なオーミック接触を実現するため、ソースコンタクト領域72aに含まれる3C-SiCの割合は10%以上であることが好ましい。
【0043】
ソースコンタクト領域72aの不純物濃度は、ソース拡張領域71aの不純物濃度よりも高いか、或いはソース拡張領域71aの不純物濃度と同程度である。ソースコンタクト領域72aの不純物濃度は、例えば1×1020cm-3以上、1×1022cm-3以下程度である。ソースコンタクト領域72aは、n型不純物として例えば燐(P)又は砒素(As)を含む。ソースコンタクト領域72aは、n型不純物として例えば窒素(N)を含んでいてもよい。ソースコンタクト領域72aは、n型不純物として、P、As、Nのうちの複数種を含んでいてもよい。ソースコンタクト領域72aは、アルゴン(Ar)又はヘリウム(He)等の不活性元素を含んでいてもよい。
【0044】
ソース拡張領域71a及びソースコンタクト領域72aの結晶構造の作り分けは、ソース拡張領域71a及びソースコンタクト領域72a毎に、イオン注入する元素、イオン注入時の温度、ドーズ量(不純物濃度)、及び活性化温度等を変更することで実現可能である。3C-SiCを含むソースコンタクト領域72aの形成方法としては、例えば、4H-SiCに対して、室温で高濃度(高ドーズ量)のn型不純物又は不活性元素のイオン注入を行うことにより、イオン注入のダメージを利用して4H-SiCを崩してアモルファス構造を形成する。その後、活性化アニールを行うことにより、アモルファス構造が再結晶化する際に3C-SiCとなることで、3C-SiCを含むソースコンタクト領域72aを形成することができる。
【0045】
一方、4H-SiCのソース拡張領域71aの形成方法としては、4H-SiCに対して、室温又は高温(例えば200°以上、600℃以下程度)で、4H-SiCの構造を崩さない程度の濃度(ドーズ量)でn型不純物のイオン注入を行うことにより、4H-SiCを維持してソース拡張領域71aを形成することができる。ソース拡張領域71aは、p型不純物として、例えばアルミニウム(Al)又はボロン(B)を含む。
【0046】
ソース拡張領域71a及びソースコンタクト領域72aの結晶構造の測定方法(観察方法)としては、例えば、電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)及び後方散乱電子回折(EBSD)により、表面の結晶構造の面積比を測定可能である。一例として、イオン注入する元素、ドーズ量(不純物濃度)及び活性化温度を同一の条件として、イオン注入時の温度を500℃及び室温(25℃)の2種類で変えてそれぞれ作製した試料をFE-SEM及びEBSDで観察した。その結果、500℃の試料では表面における4H-SiCの割合が100%であった。一方、室温の試料では、表面における4H-SiCの割合が86%であり、3C-SiCの割合が14%であった。
【0047】
4H-SiCのベースコンタクト領域5aの形成方法は、4H-SiCのソース拡張領域71aの形成方法と同様である。4H-SiCのベースコンタクト領域5aの形成方法は、4H-SiCに対して、室温又は高温(例えば200℃以上、600℃以下程度)で、4H-SiCの構造を崩さない程度の濃度(ドーズ量)でp型不純物のイオン注入を行うことにより、4H-SiCを維持してベースコンタクト領域5aを形成することができる。
【0048】
図3に示すように、ゲート電極12のゲート絶縁膜11と接する端部の位置の上面(上端)は、ソースコンタクト領域72aのゲート絶縁膜11と接する位置の下面(下端)よりも深く、且つ、ソース拡張領域71aのゲート絶縁膜11と接する位置の下面(下端)よりも浅い位置にある。ゲート電極12のゲート絶縁膜11と接する位置の上面は、ゲート電極12の最上面であってよい。例えば、ゲート電極12の上面全体として下側に凸の曲面である場合には、ゲート電極12の中央部の上面は、ゲート電極12の端部の上面よりも深い位置にあってもよい。
【0049】
ゲート電極12とソース拡張領域71aは、ゲート絶縁膜11を介して互いに対向する。ゲート電極12とソースコンタクト領域72aは、ゲート絶縁膜11を介して互いに対向しない。ソースコンタクト領域72aは、ゲート絶縁膜11を介して層間絶縁膜13と対向する。ゲート電極12のソースコンタクト領域72aの上面からの落ち込み量d0は、例えば100nm以上、300nm以下程度である。ゲート電極12の落ち込み量d0及びゲート電極12のゲート絶縁膜11と接する位置の上面の位置は、例えばゲート電極12のエッチング条件を調整することにより制御可能である。
【0050】
なお、ゲート電極12のゲート絶縁膜11と接する端部の位置の上面(上端)は、ソースコンタクト領域72aのゲート絶縁膜11と接する位置の下面(下端)よりも浅くてもよい。
【0051】
図1に示したソース領域7bのソース拡張領域71b及びソースコンタクト領域72bは、ソース領域7aのソース拡張領域71a及びソースコンタクト領域72aとそれぞれ同様の構成であるので、重複した説明を省略する。また、ソース拡張領域71b、ソースコンタクト領域72b、ベースコンタクト領域5b及び絶縁ゲート型電極構造(11,12)の位置関係は、
図3に示したソース領域7aのソース拡張領域71a、ソースコンタクト領域72a、ベースコンタクト領域5a及び絶縁ゲート型電極構造(11,12)の位置関係と同様であるので、重複した説明を省略する。
【0052】
第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の動作時は、ソース電極(14,15,16)をアース電位として、ドレイン電極17に正電圧を印加し、ゲート電極12に閾値以上の正電圧を印加すると、ベース領域6a,6bのトレンチ10の側面側に反転層(チャネル)が形成されてオン状態となる。オン状態では、ドレイン電極17からドレイン領域1、ドリフト層2、ベース領域6a,6bの反転層及びソース領域7a,7bを経由してソース電極(14,15,16)へ電流が流れる。一方、ゲート電極12に印加される電圧が閾値未満の場合、ベース領域6a,6bに反転層が形成されないため、オフ状態となり、ドレイン電極17からソース電極(14,15,16)へ電流が流れない。
【0053】
第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置によれば、ソース領域7a,7bの3C-SiCを含むソースコンタクト領域72a,72bがソース電極(14,15,16)と接することにより、シリサイド層16を介さずに低抵抗でオーミック接触することができる。よって、ソースコンタクト領域72a,72bのコンタクト接合面にはシリサイド層16が不要となるため、シリサイド層16の剥離を抑制することができる。
【0054】
更に、第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置によれば、3C-SiCを含むソースコンタクト領域72a,72bと、4H-SiCのベースコンタクト領域5a,5bの間に、4H-SiCのソース拡張領域71a,71bが介在している。よって、ソースコンタクト領域72a,72bとベースコンタクト領域5a,5bが互いに接する場合と比較して、ベースコンタクト領域5a,5bにソース拡張領域71a,71bを形成するためのイオン注入によるダメージが無く、リーク不良を抑制することができる。
【0055】
更に、第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置によれば、4H-SiCのソース拡張領域71a,71bと4H-SiCのベースコンタクト領域5a,5bとで構成されるpn接合部が4H-SiC同士であるため、結晶欠陥が多く残存する3C-SiCを含むソースコンタクト領域72a,72bと4H-SiCのベースコンタクト領域5a,5bとでpn接合を構成する場合と比較して、pn接合部のリーク電流を防止することができる。
【0056】
更に、第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置によれば、ゲート電極12の上面を、ソースコンタクト領域72aの下面よりも深くし、且つソース拡張領域71aの下面よりも浅くする。これにより、ソース領域7aのうちの相対的に結晶欠陥が少なく、表面の凹凸も少ないソース拡張領域71aがゲート絶縁膜11を介してゲート電極12と対向し、ソース領域7aのうちの相対的に結晶欠陥が多く、表面の凹凸も多いソースコンタクト領域72aがゲート絶縁膜11を介してゲート電極12と対向しない。よって、ソース領域7aとゲート電極12との間のリーク電流の発生を抑制可能となる。
【0057】
<炭化珪素半導体装置の製造方法>
次に、第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一例を説明する。なお、以下に述べる炭化珪素半導体装置の製造方法は一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲であれば、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【0058】
まず、窒素(N)等のn型不純物が添加されたn
+型の4H-SiC等のSiCからなる半導体基板(SiC基板)1(
図4参照)を用意する。SiC基板1の上面は、例えば{0001}面から3度~8度のオフ角を有する。次に、
図4に示すように、SiC基板1の上面に、N等のn型不純物が添加され、SiC基板1よりも低不純物濃度のn
-型の4H-SiC等のSiCからなるドリフト層2をエピタキシャル成長させる。
【0059】
次に、化学気相成長(CVD)技術等により、ドリフト層2の上面に酸化膜を堆積する。酸化膜の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術等を用いて酸化膜をパターニングする。パターニングされた酸化膜をイオン注入用マスクとして用いて、アルミニウム(Al)等のp型不純物を選択的にイオン注入する。なお、酸化膜の代わりに、フォトレジスト膜をイオン注入用マスクとして用いてもよい。その後、イオン注入用マスクとして用いた酸化膜を除去する。この結果、
図5に示すように、ドリフト層2の内部にp
+型の埋込領域4a,4c及びp
+型のゲート保護領域4bが選択的に形成される。電荷蓄積層(電流拡散層)を形成する場合、この段階で選択的にn型不純物を注入することで、ドリフト層2の内部に電荷蓄積層を形成する。
【0060】
なお、
図4に示したドリフト層2の途中部分(下部)までエピタキシャル成長させ、イオン注入によりp
+型の埋込領域4a,4c及びp
+型のゲート保護領域4bを形成し、ドリフト層2の残りの部分(上部)をエピタキシャル成長させることで、
図5に示した構造としてもよい。
【0061】
次に、埋込領域4a,4c及びp
+型のゲート保護領域4bを形成するときのイオン注入よりも低い加速電圧で、アルミニウム(Al)等のp型不純物を全面にイオン注入する。また、ベース領域6を形成するときのイオン注入よりも低い加速電圧で、窒素(N)等のn型不純物を全面にイオン注入する。この結果、
図6に示すように、埋込領域4a,4c及びゲート保護領域4bの上面側に、4H-SiC等のSiCからなるp型のベース領域6が形成される。また、ベース領域6の上面側に、4H-SiCのn
+型のソース拡張領域71が形成される。
【0062】
ソース拡張領域71のイオン注入の際、後述するソースコンタクト領域72a,72bのイオン注入と比較して低ダメージとするため、n型不純物として、原子数が相対的に小さい燐(P)(元素番号15)が好ましく、原子数が相対的により小さい窒素(N)(元素番号7)がより好ましい。なお、P又はN以外にも、原子数が相対的に大きい砒素(As)(元素番号33)を注入してもよい。イオン注入時の温度は、後述するソースコンタクト領域72a,72bのイオン注入よりも高く、例えば200℃以上、600℃以下程度に設定する。イオン注入時のドーズ量は、ソース拡張領域71の不純物濃度が例えば1×1016cm-3以上、1×1020cm-3以下程度となるように設定される。イオン注入時のドーズ量は、例えば2×1015cm-2未満程度に設定される。
【0063】
次に、CVD技術等により、ソース拡張領域71の上面に酸化膜20(
図7参照)を堆積する。酸化膜20の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術等を用いて酸化膜20をパターニングする。パターニングされた酸化膜20をイオン注入用マスクとして用いて、
図7に示すように、窒素(N)等のn型不純物を選択的にイオン注入する。なお、酸化膜20の代わりに、フォトレジスト膜をイオン注入用マスクとして用いてもよい。この結果、ソース拡張領域71の上面側(上部)の一部に、n
+型のソースコンタクト領域72が選択的に形成される。
【0064】
ソースコンタクト領域72のイオン注入の際、ソース拡張領域71の上面側の4H-SiCの構造を崩してアモルファス構造を形成する。
図7ではNをイオン注入する場合を例示したが、前述したソース拡張領域71のイオン注入と比較して高ダメージとするため、n型不純物としては、原子数が相対的により大きいP(元素番号15)が好ましく、原子数が相対的により大きい砒素(As)(元素番号33)がより好ましい。ソースコンタクト領域72のイオン注入では、前述したソース拡張領域71のイオン注入と同じ不純物を注入してもよく、異なる不純物を注入してもよい。イオン注入時の温度は、前述したソース拡張領域71のイオン注入時の温度よりも低く、例えば20℃以上、150℃以下程度に設定する。イオン注入時のドーズ量は、前述したソース拡張領域71のイオン注入により注入される不純物との合計として、ソースコンタクト領域72の不純物濃度が例えば1×10
20cm
-3以上、1×10
22cm
-3以下程度となるように設定する。イオン注入時のドーズ量は、前述したソース拡張領域71のイオン注入時のドーズ量と合わせた総ドーズ量が、例えば2×10
15cm
-2以上程度に設定される。
【0065】
ソースコンタクト領域72のイオン注入時には、n型不純物の代わりに、アルゴン(Ar)又はヘリウム(He)等の不活性元素をイオン注入してもよい。不活性元素のイオン注入時のドーズ量は、前述したソース拡張領域71のイオン注入時のドーズ量と合わせた総ドーズ量が、例えば2×1015cm-2以上程度に設定される。不活性元素をイオン注入する場合、n型不純物のイオン注入はソース拡張領域71のイオン注入のみとなるため、ソース拡張領域71及びソースコンタクト領域72の不純物濃度は互いに略同一となる。ソースコンタクト領域72のイオン注入の後、イオン注入用マスクとして用いた酸化膜20を除去する。
【0066】
次に、CVD技術等により、ベース領域6の上面に酸化膜21(
図8参照)を堆積する。酸化膜21の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術等を用いて酸化膜21をパターニングする。ソースコンタクト領域72の幅w11は、ソースコンタクト領域72の上面を覆う酸化膜21のマスクパターンの幅w12よりも狭い(
図8参照)。パターニングされた酸化膜21をイオン注入用マスクとして用いて、
図8に示すように、アルミニウム(Al)やボロン(B)等のp型不純物を選択的にイオン注入することにより、ソース拡張領域71の一部の導電型をn型からp型へ反転させる(打ち返す)。この結果、埋込領域4a,4cの上面側に、4H-SiCのp
+型のベースコンタクト領域5a,5bが選択的に形成される。ベースコンタクト領域5a,5bは、ソースコンタクト領域72から離間して、ソース拡張領域71及びベース領域6に接している。なお、酸化膜21の代わりに、フォトレジスト膜をイオン注入用マスクとして用いてもよい。その後、イオン注入用マスクとして用いた酸化膜21を除去する。
【0067】
なお、ベース領域6を形成するためのイオン注入、ソース拡張領域71を形成するためのイオン注入、ソースコンタクト領域72を形成するためのイオン注入、及びベースコンタクト領域5a,5bを形成するためのイオン注入の順番はこれに限定されず、順番を入れ替えてもよい。例えば、ベースコンタクト領域5a,5bを形成するためのイオン注入を行った後に、ソースコンタクト領域72を形成するためのイオン注入を行ってもよい。
【0068】
次に、アニール炉等を用いて、例えば1600℃以上、1900℃以下程度で活性化アニール(熱処理)を行うことにより、埋込領域4a,4c、ゲート保護領域4b、ソース拡張領域71、ソースコンタクト領域72及びベースコンタクト領域5a,5b等にそれぞれイオン注入されたp型不純物又はn型不純物を一斉に活性化させる。このとき、ソースコンタクト領域72のアモルファス構造が再結晶化し、3C-SiCとなることで、3C-SiCを含むソースコンタクト領域72が形成される。
【0069】
なお、ここではすべてのイオン注入工程の後に一括して1回の活性化アニールを行う場合を例示するが、各イオン注入工程後に個別に複数回の活性化アニールを行ってもよい。また、活性化アニールの前に、カーボン(C)からなるキャップ膜を成膜し、キャップ膜で被覆した状態で活性化アニールを行い、活性化アニールの後にキャップ膜を除去してもよい。
【0070】
次に、CVD技術等により、ソース拡張領域71、ソースコンタクト領域72及びベースコンタクト領域5a,5bの上面に酸化膜22(
図9参照)を堆積する。酸化膜22の上面にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術等を用いて酸化膜22をパターニングする。パターニングされた酸化膜22をエッチング用マスクとして用いて、反応性イオンエッチング(RIE)等のドライエッチング技術により、
図9に示すように、ソースコンタクト領域72の上面から深さ方向にトレンチ10を選択的に形成する。なお、酸化膜22の代わりに、フォトレジスト膜をエッチング用マスクとして用いてもよい。
【0071】
トレンチ10は、ソース拡張領域71、ソースコンタクト領域72及びベース領域6を貫通し、更にゲート保護領域4bの一部を掘り込む。ソース拡張領域71は2つのソース拡張領域71a,71bに分割され、ソースコンタクト領域72は、2つのソースコンタクト領域72a,72bに分割され、ベース領域6は2つのベース領域6a,6bに分割される。ソース拡張領域71a及びソースコンタクト領域72aによりソース領域7aが形成され、ソース拡張領域71b及びソースコンタクト領域72bによりソース領域7bが形成される。その後、エッチング用マスクとして用いた酸化膜22を除去する。
【0072】
次に、CVD技術、高温酸化(HTO)法又は熱酸化法等により、トレンチ10の下面及び側面、並びにソース拡張領域71a,71b、ソースコンタクト領域72a,72b及びベースコンタクト領域5a,5bの上面に、ゲート絶縁膜11(
図10参照)を形成する。ゲート絶縁膜11の形成時には、例えば900℃以上、1350℃以下程度で熱処理(PDA:Post Deposition Annealing)を行う。
【0073】
次に、CVD技術等により、トレンチ10の内側を埋め込むように、燐(P)やボロン(B)等の不純物を高濃度で添加したポリシリコン層(ドープドポリシリコン層)を堆積する。その後、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチングにより、ポリシリコン層の一部及びゲート絶縁膜11の一部を選択的に除去する。この結果、
図10に示すように、ゲート絶縁膜11及びゲート電極12からなる絶縁ゲート型電極構造(11,12)が形成される。このとき、ゲート電極12のゲート絶縁膜11と接する位置の上面が、ソースコンタクト領域72a,72bの下面よりも深くなるように、ゲート電極12の落ち込み量を調整してよい。
【0074】
次に、CVD技術等により、絶縁ゲート型電極構造(11,12)の上面に層間絶縁膜13(
図11参照)を堆積する。フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術等により、層間絶縁膜13の一部を選択的に除去し、
図11に示すように、層間絶縁膜13にソース拡張領域71a,71b、ソースコンタクト領域72a,72b及びベースコンタクト領域5a,5bのそれぞれの上面の少なくとも一部を露出するコンタクトホール13a,13bを開口する。その後、層間絶縁膜13を平坦化するための熱処理(リフロー)を行ってもよい。
【0075】
次に、スパッタリング技術又は蒸着法等によりシリサイド層16(
図12参照)を堆積し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、シリサイド層16の一部を選択的に除去する。この結果、ベースコンタクト領域5a,5bの上面にシリサイド層16が選択的に形成される。シリサイド層16は、ベースコンタクト領域5a,5bと低抵抗でオーミック接触する。更に、スパッタリング技術又は蒸着法等により、
図12に示すように、層間絶縁膜13と、層間絶縁膜13のコンタクトホール13a,13bに露出するソース拡張領域71a,71b、ソースコンタクト領域72a,72b及びシリサイド層16とを覆うように、バリアメタル層14及びソース配線層15を順次形成し、ソース電極(14,15,16)を形成する。バリアメタル層14は、ソース領域7a,7bのソースコンタクト領域72a,72bと低抵抗でオーミック接触する。
【0076】
なお、コンタクトホール13a,13bで、ソースコンタクト領域72a,72b及びベースコンタクト領域5a,5bのそれぞれとソース電極(14,15,16)の接続を行っているが、ソースコンタクト領域72a,72b及びベースコンタクト領域5a,5bが個別のコンタクトホールによってソース電極(14,15,16)と接続するようにしてもよい。
【0077】
次に、必要に応じて、研削又は化学機械研磨(CMP)等により、SiC基板1を下面側から薄化して厚さを調整することにより、ドレイン領域1とする。次に、スパッタリング法又は蒸着法等により、ドレイン領域1の下面の全面に金(Au)等からなるドレイン電極17(
図1参照)を形成する。このようにして、
図1に示した炭化珪素半導体装置が完成する。
【0078】
ここで、比較例に係る半導体装置の製造方法を説明する。比較例に係る半導体装置の製造方法では、製造上合理的に、ソースコンタクト領域72a,72bに要求されるコンタクト抵抗を満たすための不純物濃度と、ベースコンタクト領域5a,5bに要求されるコンタクト抵抗を満たすための不純物濃度の差を利用し、ソースコンタクト領域72a,72bを形成するためのn型領域を全面に形成した後に、n型領域の一部の導電型をp型に反転させて(打ち返して)ベースコンタクト領域5a,5bを形成する。
【0079】
具体的には、比較例に係る半導体装置の製造方法では、
図6に示したベース領域6及びソース拡張領域71を形成する手順の後に、
図13に示すように、窒素(N)等のn型不純物を全面にイオン注入する。この結果、ソース拡張領域71の上面側の全面に、n
+型のソースコンタクト領域72が形成される。
【0080】
次に、ベース領域6の上面に酸化膜21を(
図14参照)堆積し、酸化膜21をパターニングする。
図14に示すように、パターニングされた酸化膜21をイオン注入用マスクとして用いて、アルミニウム(Al)等のp型不純物を選択的にイオン注入することにより、ソース拡張領域71及びソースコンタクト領域72の一部の導電型をp型に反転させる(打ち返す)。この結果、埋込領域4a,4cの上面側にp
+型のベースコンタクト領域5a,5bが選択的に形成される。
【0081】
しかし、比較例に係る半導体装置の製造方法では、
図14の破線で示した領域A1,A2であるソースコンタクト領域72の打ち返した部分においてリーク不良が発生する場合がある。これは、ソースコンタクト領域72を形成するためのイオン注入と、ベースコンタクト領域5a,5bを形成するためのイオン注入により多くのダメージが発生し、ベースコンタクト領域5a,5bが3C-SiCとなり、リーク源となると推定される。
【0082】
これに対して、第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、
図8に示すように、ベースコンタクト領域5a,5bを形成するためのイオン注入時には、ソースコンタクト領域72から離間した部位に、ソースコンタクト領域72を打ち返すことなく、ソース拡張領域71の一部を打ち返してベースコンタクト領域5a,5bを形成することができる。よって、ベースコンタクト領域5a,5bの結晶構造は崩れずに4H-SiCとなり、リーク不良を抑制することができる。
【0083】
(第2実施形態)
第2実施形態に係る炭化珪素半導体装置は、
図15に示すように、n
+型のソースコンタクト領域72a,72bが、トレンチ10の内側のゲート絶縁膜11から離間している点が、
図1に示した第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置と異なる。
【0084】
図16は、
図15に示した破線の領域Aを拡大した概略断面図である。ソースコンタクト領域72aは、トレンチ10の内側のゲート絶縁膜11から離間している。ソースコンタクト領域72aがトレンチ10の内側のゲート絶縁膜11から離間する幅(換言すれば、ソースコンタクト領域72aとゲート絶縁膜11に挟まれるソース拡張領域71aの幅)w3は、例えば100nm以上、500nm以下程度である。幅w3を100nm以上とすることにより、後述するゲートリーク電流を有効に防止することができる。ソースコンタクト領域72aの幅w1は、例えば300nm以上、500nm以下程度である。ソースコンタクト領域72aの上面から下面までの深さ(ソースコンタクト領域72aの厚さ)d2は、例えば30nm以上、100nm以下程度である。
【0085】
図16では、ソースコンタクト領域72aの右側の端部(側面)は、層間絶縁膜13のコンタクトホール13aの端部(換言すれば、ゲート絶縁膜11及び層間絶縁膜13の端部)よりもゲート電極12側に位置しているが、コンタクトホール13aの端部の位置と一致していてもよい。
【0086】
ゲート電極12のゲート絶縁膜11と接する端部の位置の上面(上端)は、ソースコンタクト領域72aの下面と一致するか、ソースコンタクト領域72aの下面よりも浅い位置にある。ゲート電極12のソース拡張領域71aの上面からの落ち込み量d0は、例えば10nm以上、300nm以下程度である。ゲート電極12の落ち込み量d0を小さくして、ゲート電極12の上面をソースコンタクト領域72aの下面よりも浅くすることにより、ゲート閾値電圧のバラツキを低減することができる。なお、ゲート電極12のゲート絶縁膜11と接する端部の位置の上面は、ソースコンタクト領域72aの下面よりも深い位置にあってもよい。
【0087】
図15に示したソース領域7bのソース拡張領域71b及びソースコンタクト領域72bは、ソース領域7aのソース拡張領域71a及びソースコンタクト領域72aとそれぞれ同様の構成であるので、重複した説明を省略する。また、ソース領域7bのソース拡張領域71b及びソースコンタクト領域72bと、ベースコンタクト領域5b、ゲート絶縁膜11及びゲート電極12との位置関係は、
図16に示したソース領域7aのソース拡張領域71a及びソースコンタクト領域72aと、ベースコンタクト領域5a、ゲート絶縁膜11及びゲート電極12との位置関係と同様であるので、重複した説明を省略する。第2実施形態に係る炭化珪素半導体装置の他の構成は、第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。
【0088】
第2実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法では、
図6に示したベース領域6及びソース拡張領域71を形成する手順の後に、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術等を用いて、トレンチ10が形成される領域も覆うように酸化膜20(
図17参照)をパターニングする点が、
図7に示した第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法と異なる。
【0089】
図17に示すように、パターニングされた酸化膜20をイオン注入用マスクとして用いて、窒素(N)等のn型不純物を選択的にイオン注入する。なお、酸化膜20の代わりに、フォトレジスト膜をイオン注入用マスクとして用いてもよい。この結果、ソース拡張領域71の上面側に、n
+型のソースコンタクト領域72a,72bが形成される。第2実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の他の手順は、第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。
【0090】
第2実施形態によれば、ソース領域7a,7bの3C-SiCを含むソースコンタクト領域72a,72bがソース電極(14,15,16)と接することにより、シリサイド層16を介さずに低抵抗でオーミック接触することができる。よって、ソースコンタクト領域72a,72bのコンタクト接合面にはシリサイド層16が不要となるため、シリサイド層16の剥離を抑制することができる。
【0091】
更に、第2実施形態によれば、3C-SiCを含むソースコンタクト領域72a,72bと、4H-SiCのベースコンタクト領域5a,5bの間に、4H-SiCのソース拡張領域71a,71bが介在している。よって、ソースコンタクト領域72a,72bとベースコンタクト領域5a,5bが互いに接する場合と比較して、ベースコンタクト領域5a,5bにソース拡張領域71a,71bを形成するためのイオン注入によるダメージが無く、リーク不良を抑制することができる。
【0092】
更に、第2実施形態によれば、4H-SiCのソース拡張領域71a,71bと4H-SiCのベースコンタクト領域5a,5bとで構成されるpn接合部が4H-SiC同士であるため、3C-SiCを含むソースコンタクト領域72a,72bと4H-SiCのベースコンタクト領域5a,5bとでpn接合を構成する場合と比較して、pn接合部のリーク電流を防止することができる。
【0093】
更に、第2実施形態によれば、ソース領域7a,7bの相対的に結晶欠陥が多い3C-SiCを含むソースコンタクト領域72a,72bがトレンチ10の内側のゲート絶縁膜11に直接的に接しないようにトレンチ10の内側のゲート絶縁膜11及びゲート電極12から離間している。一方、ソース領域7a,7bの相対的に結晶欠陥が少ない4H-SiCからなるソース拡張領域71a,71bがトレンチ10の内側のゲート絶縁膜11に直接的に接し、ゲート絶縁膜11を介してゲート電極12に対向している。よって、ソース領域7a,7bとゲート電極12との間のリーク電流の発生を抑制可能となる。
【0094】
(第3実施形態)
第3実施形態に係る炭化珪素半導体装置は、
図18に示すように、n
+型のソースコンタクト領域72a,72bと、ベースコンタクト領域5a,5bとの間に介在する4H-SiCの半導体領域が、ベース領域6a,6bの一部である点が、
図1に示した第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置と異なる。ベース領域6a,6bは、L字状の断面形状を有する。
【0095】
図19は、
図18に示した領域Aを拡大した概略断面図である。ソース拡張領域71aの左側の側面の位置と、ソースコンタクト領域72aの左側の側面の位置は略一致している。ソース拡張領域71a及びソースコンタクト領域72aのそれぞれの左側の側面は、ベースコンタクト領域5aの右側の側面から離間している。ソース拡張領域71a及びソースコンタクト領域72aのそれぞれの左側の側面と、ベースコンタクト領域5aの右側の側面との間には、ベース領域6aの一部が介在している。
【0096】
図18に示したソース領域7bのソース拡張領域71b及びソースコンタクト領域72bは、ソース領域7aのソース拡張領域71a及びソースコンタクト領域72aとそれぞれ同様の構成であるので、重複した説明を省略する。また、ソース領域7bのソース拡張領域71b及びソースコンタクト領域72bと、ベースコンタクト領域5b、ゲート絶縁膜11及びゲート電極12との位置関係は、
図19に示したソース領域7aのソース拡張領域71a及びソースコンタクト領域72aと、ベースコンタクト領域5a、ゲート絶縁膜11及びゲート電極12との位置関係と同様であるので、重複した説明を省略する。第3実施形態に係る炭化珪素半導体装置の他の構成は、第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。
【0097】
第3実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法では、
図6に示した手順において、ソース拡張領域71を形成するためのイオン注入は行わず、ソース拡張領域71を全面に形成しない。そして、
図7に示すように、n
+型のソースコンタクト領域72を形成するためのイオン注入時に、共通の酸化膜20をイオン注入用マスクとして用いてイオン注入することにより、n
+型のソース拡張領域71をソースコンタクト領域72と同じ幅で形成する。第3実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の他の手順は、第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。
【0098】
第3実施形態によれば、ソース領域7a,7bの3C-SiCを含むソースコンタクト領域72a,72bがソース電極(14,15,16)と接することにより、シリサイド層16を介さずに低抵抗でオーミック接触することができる。よって、ソースコンタクト領域72a,72bのコンタクト接合面にはシリサイド層16が不要となるため、シリサイド層16の剥離を抑制することができる。
【0099】
更に、第3実施形態によれば、3C-SiCを含むソースコンタクト領域72a,72bと、4H-SiCのベースコンタクト領域5a,5bの間に、4H-SiCのベース領域6a,6bが介在している。よって、ソースコンタクト領域72a,72bとベースコンタクト領域5a,5bが互いに接する場合と比較して、ベースコンタクト領域5a,5bにソース拡張領域71a,71bを形成するためのイオン注入によるダメージが無く、リーク不良を抑制することができる。
【0100】
(第4実施形態)
第4実施形態に係る炭化珪素半導体装置は、
図20に示すように、n
+型のソース拡張領域71a,71bが薄く形成されている点が、
図1に示した第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置と異なる。
【0101】
第4実施形態に係る炭化珪素半導体装置の他の構成は、第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。
【0102】
第4実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法では、
図6に示した手順において、ソース拡張領域71のためのイオン注入を行わない。そして、
図7に示した手順において、パターニングされた酸化膜20をイオン注入用マスクとして用いて、窒素(N)等のn型不純物を選択的にイオン注入することにより、ベース領域6a,6bの上面側(上部)の一部に、n
+型のソースコンタクト領域72を選択的に形成する。
【0103】
ソースコンタクト領域72のイオン注入の際、ベース領域6の上面側の4H-SiCの構造を崩してアモルファス構造を形成する。この時、イオン注入では深い側に必ず濃度勾配が発生するので、深い側に自然と濃度の低い部分ができる。濃度の低い部分は熱処理後に4H-SiC構造となるので、この4H-SiCをn+型のソース拡張領域71a,71bとして用いる。第4実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の他の手順は、第1実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。
【0104】
第4実施形態によれば、ソース拡張領域71a,71bが薄い場合でも、シリサイド層16を介さずに低抵抗でオーミック接触することができる。よって、ソースコンタクト領域72a,72bのコンタクト接合面にはシリサイド層16が不要となるため、シリサイド層16の剥離を抑制することができる。
【0105】
更に、第4実施形態によれば、3C-SiCを含むソースコンタクト領域72a,72bと、4H-SiCのベースコンタクト領域5a,5bの間に、4H-SiCのベース領域6a,6bが介在している。よって、ソースコンタクト領域72a,72bとベースコンタクト領域5a,5bが互いに接する場合と比較して、ベースコンタクト領域5a,5bにソース拡張領域71a,71bを形成するためのイオン注入によるダメージが無く、リーク不良を抑制することができる。
【0106】
(その他の実施形態)
上記のように、本開示の第1~第4実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本開示を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【0107】
例えば、第1~第4実施形態に係る半導体装置としてMOSFETを例示したが、n+型のドレイン領域1の代わりにp+型のコレクタ領域を設けた構成の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)にも適用可能である。また、IGBT単体以外にも、逆導通型IGBT(RC-IGBT)や、逆阻止絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(RB-IGBT)にも適用可能である。
【0108】
また、第1~第4実施形態が開示する構成を、矛盾の生じない範囲で適宜組み合わせることができる。例えば、第3及び4実施形態に係る半導体装置では、n+型のソースコンタクト領域72a,72bが、トレンチ10の内側のゲート絶縁膜11に接している場合を例示した。しかし、第2実施形態に係る半導体装置のように、n+型のソースコンタクト領域72a,72bが、トレンチ10の内側のゲート絶縁膜11から離間していてもよい。
【0109】
このように、本開示はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本開示の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【0110】
1…ドレイン領域(SiC基板)
2…ドリフト層
4a,4c…埋込領域
4b…ゲート保護領域
5a,5b…ベースコンタクト領域
6,6a,6b…ベース領域
7a,7b…ソース領域
10…トレンチ
11…ゲート絶縁膜
12…ゲート電極
13…層間絶縁膜
13a,13b…コンタクトホール
14…バリアメタル層
15…ソース配線層
16…シリサイド層
17…ドレイン電極
20,21,22…酸化膜
71a,71b…ソース拡張領域
72,72a,72b…ソースコンタクト領域